用碳化硅(SiC)重新思考軟開關(guān)效率

從理論上講，碳化硅 (SiC) 技術(shù)比硅 (Si) 具有優(yōu)勢(shì)，這使得它看起來可以作為電力電子中現(xiàn)有 MOSFET 的直接替代品。這在一定程度上是正確的，但只要關(guān)注該技術(shù)與硅的不同之處，以及如何優(yōu)化電路技術(shù)(例如軟開關(guān))，超越硅的實(shí)際應(yīng)用，就可以從 SiC 中獲得更多收益。

與硅相比，SiC 的帶隙更寬，因此擊穿電壓和電子遷移率更高，從而降低了導(dǎo)通電阻。與硅相比，SiC 的開關(guān)速度也更快，從而提高了效率，并能夠設(shè)計(jì)出體積更小的電力電子系統(tǒng)。SiC 的熱導(dǎo)率也明顯高于硅，因此可以設(shè)計(jì)出在更高溫度下運(yùn)行的電力電子設(shè)備，而不會(huì)犧牲性能或可靠性。

基于傳統(tǒng)硅超結(jié)MOSFET的電路只需考慮簡(jiǎn)單的軟開關(guān)技術(shù)，但高典型工作頻率意味著SiC需要仔細(xì)分析何時(shí)和何處出現(xiàn)損耗。從而，該分析可以導(dǎo)致新穎解決方案，避免了傳統(tǒng)MOSFET電路設(shè)計(jì)固有的損耗。

例如，SiC等寬禁帶技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是能夠?yàn)榻o定通態(tài)電阻保證更高的擊穿電壓。這允許使用比體硅器件所需更薄的漂移層，從而比所需厚的層的體硅器件具有更低的電阻。同時(shí)，晶體格子的組成提供了更高的載流子遷移率。結(jié)果是更高的導(dǎo)電性。

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)是最好的選擇來最小化漏源電阻。在MOSFET中，載流子必須通過p基(p井)區(qū)域的表面通過MOS界面處的電阻性反轉(zhuǎn)通道進(jìn)入n型漂移區(qū)域。然而，在JFET中，沒有這樣的反轉(zhuǎn)通道。通過使用高體多數(shù)載流子遷移率，JFET接近于通態(tài)電阻的理論限制，相比擊穿電壓而言。Qorvo的SiC JFET器件允許與MOSFET設(shè)計(jì)相比，具有更大的擊穿電壓安全裕度和約一半的通態(tài)電阻的晶體管設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)上，僅使用耗盡型JFET會(huì)帶來電路設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。作為一個(gè)常開設(shè)備，它需要負(fù)電壓完全關(guān)閉。然而，SiC MOSFET具有低閾值電壓，因此在真實(shí)電路中，負(fù)門電壓并不少見。應(yīng)用負(fù)電壓可以防止在溫度極端時(shí)發(fā)生意外開啟，因?yàn)殚撝惦妷嚎赡艿陀诿x水平。

Qorvo的解決方案將SiC JFET與低壓硅MOSFET結(jié)合在串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，其中SiC JFET的柵源電壓是Si MOSFET漏源電壓的反向。該串聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在串聯(lián)配置中，外部柵驅(qū)動(dòng)器控制低壓Si MOSFET漏源電壓，間接驅(qū)動(dòng)高壓SiC JFET。這種串聯(lián)配置為習(xí)慣于使用硅超結(jié)MOSFET的工程師提供了熟悉的控制方式。MOSFET的較低工作電壓對(duì)該設(shè)備對(duì)的整體通態(tài)電阻的貢獻(xiàn)不到10%。為了方便集成，Qorvo以單個(gè)封裝提供此配置。

串聯(lián)結(jié)構(gòu)通過Si低壓MOSFET控制開關(guān)，將控制邏輯與高壓JFET分離。這種分離提供了優(yōu)化柵控電壓范圍和柵電荷以實(shí)現(xiàn)低壓Si MOSFET的機(jī)會(huì)，同時(shí)不損害SiC JFET的全部性能優(yōu)勢(shì)。

與傳統(tǒng)SiC MOSFET通常需要高達(dá)18V的柵電壓來完全激活器件并獲得低通態(tài)電阻的全部?jī)?yōu)勢(shì)相比，串聯(lián)架構(gòu)允許更低的最大柵控電壓，并且無需負(fù)電壓用于關(guān)斷狀態(tài)。電壓范圍的縮小減少了柵電荷約50%(從18V / -4V到10V / 0V)，在輕負(fù)載下，特別是對(duì)于軟開關(guān)應(yīng)用，減少了開關(guān)過程中的損耗。

采用JFET結(jié)構(gòu)的SiC轉(zhuǎn)換器大大縮小了芯片尺寸。Qorvo的器件與硅超結(jié)器件相比，具有近十倍的芯片面積減小，但具有相同的功率處理能力。SiC的熱導(dǎo)率和優(yōu)越性能抵消了由于芯片尺寸顯著減小而帶來的熱阻增加。通過使用銀浸滲來增加散熱片連接的熱導(dǎo)率，與傳統(tǒng)焊料相比，提供了6倍的熱導(dǎo)率改進(jìn)，以抵消進(jìn)一步增加的熱阻。

將串聯(lián)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于SiC JFET進(jìn)一步改善了效率，通過減小影響硅超結(jié)器件和SiC MOSFET的雜散電容提高了密度。較低的雜散電容使開關(guān)頻率高于硅器件甚至SiC MOSFET實(shí)際可行的范圍。

這些優(yōu)勢(shì)在軟開關(guān)電路結(jié)構(gòu)中最為明顯。盡管使用硅器件的軟開關(guān)技術(shù)解決了開啟和關(guān)閉階段的一些明顯損耗來源，但最新一代SiC晶體管的快速開關(guān)能力解決了通常被忽視的更微妙問題。

許多基于硅器件的電路采用零電壓開關(guān)(ZVS)。它的主要目的是在電流開始自由通過晶體管通道之前，減少漏源電壓(IDS)和漏源電壓(VDS)之間的電壓，以消除開啟開關(guān)損耗。輸出電容(即漏源電容和柵與漏之間的電容之和)通常在上一個(gè)周期中關(guān)閉設(shè)備時(shí)完全充電到直流鏈路總線電壓，并在下一個(gè)ZVS開啟事件期間重新用于負(fù)載以避免損耗。

傳統(tǒng)Si器件使用ZVS開啟可能導(dǎo)致開關(guān)周期中的死時(shí)間長(zhǎng)達(dá)300ns，這是由于硅器件的高輸出電容。對(duì)于500kHz(2μs周期)的開關(guān)頻率，開啟和關(guān)閉轉(zhuǎn)換期間的300ns死時(shí)間占占空比的30%。

與Si MOSFET相比，SiC JFET具有更低的輸出電容，清除時(shí)間較短，特別是在漏源電壓偏差較低的情況下，Si MOSFET的輸出電容會(huì)顯著增加。硅超結(jié)器件在低漏源電壓偏差下的CV曲線具有較強(qiáng)的非線性，這導(dǎo)致半橋拓?fù)渲性诳偩€電壓和0V附近的高壓過渡時(shí)間。這縮短了ZVS所需的死時(shí)間，可以用于更高頻率的操作或更多功率傳遞到負(fù)載。

由于較長(zhǎng)的電壓過渡時(shí)間和相對(duì)較高的關(guān)斷開關(guān)損耗，使用Si器件設(shè)計(jì)的ZVS電路的開關(guān)頻率限制在150kHz以下。借助Qorvo SiC FET的快速開關(guān)能力，開關(guān)頻率邊界被推動(dòng)到500kHz以上。與開啟開關(guān)損耗類似，如果盡量減小關(guān)斷期間電流下降和漏源電壓上升之間的重疊，效率將得到改善。

但是，隨著開關(guān)速度的增加，電磁干擾變得更具挑戰(zhàn)性。設(shè)計(jì)師必須在設(shè)計(jì)階段盡早地，通過小心減少PCB上的有意義的電流換位環(huán)的寄生參數(shù)，充分利用SiC的快速開關(guān)能力。但是，在考慮到安全要求(例如間隙放電等)時(shí)，優(yōu)化的空間有限。一旦電路設(shè)計(jì)完成，有兩種常見的方法可以進(jìn)一步微調(diào)關(guān)斷漏源電壓尖峰和諧振。

一種方法是使用高柵電阻(Rg)來減慢器件開關(guān)速度。一種更有效且高效的方法是使用嗡嗡聲電路，如圖4所示，其中使用低柵電阻。換句話說，使用小的柵電阻來允許SiC器件快速開關(guān)，并使用嗡嗡聲RC來控制VDS峰值和諧振。器件嗡嗡聲電容Cs提供VDS峰值過沖控制，而Cd通過靠近快速開關(guān)半橋來最小化功率回路寄生電感。Rs和Rd為VDS諧振提供阻尼。

一個(gè)常見的誤解是使用嗡嗡聲電路效率低下。對(duì)于半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(通常用于LLC或PSFB等ZVS應(yīng)用)，與使用高柵電阻相比，使用嗡嗡聲電路的效率要高得多，因?yàn)轭~外的漏源電容在開啟階段不會(huì)產(chǎn)生任何開啟損耗。在關(guān)斷dv/dt階段，自由輪設(shè)備的位移電流將進(jìn)一步減少已主動(dòng)關(guān)斷的設(shè)備的關(guān)斷電流，從而減少電壓和電流的重疊，從而大大減少關(guān)斷損耗(Eoff)。位移電流水平由方程I = C*dv/dt確定。C是等效輸出電容，包括器件輸出電容(Coss)和并聯(lián)在器件漏源之間的額外嗡嗡聲電容Cs。

具有額外嗡嗡聲電容的漏源和高dv/dt(即低柵電阻)時(shí)，位移電流將更高。這樣，留給活動(dòng)關(guān)斷設(shè)備與VDS重疊的電流就更少，從而減少關(guān)斷開關(guān)損耗。這種方法允許我們?cè)诓粻奚嗥骷_關(guān)速度的情況下控制VDS的諧振和峰值，而如果我們使用高Rg解決方案，可能更多地使用設(shè)備開關(guān)速度。圖5顯示了帶有和不帶嗡嗡聲電路的雙脈沖測(cè)試關(guān)斷波形，直觀地顯示了使用低柵電阻的嗡嗡聲電路可以大大減少電壓和電流的重疊，從而減少了關(guān)斷開關(guān)損耗。

使用嗡嗡聲電路的節(jié)省強(qiáng)調(diào)了在使用SiC時(shí)利用軟開關(guān)電路結(jié)構(gòu)來最大化效率的重要性。在硬開關(guān)設(shè)計(jì)中，嗡嗡聲電路的好處較小，因?yàn)樵陂_關(guān)周期中從關(guān)斷周期中存儲(chǔ)在Cs中的能量通常作為熱量浪費(fèi)在下一個(gè)開啟周期中的器件通道中。然而，即使在使用嗡嗡聲電路時(shí)存在開啟損耗的懲罰，總體開關(guān)損耗(即開啟和關(guān)斷開關(guān)損耗的總和)仍遠(yuǎn)低于僅使用高柵電阻在滿負(fù)荷(即設(shè)備額定電流)下的情況。

參考圖5中用800V總線電壓和100A負(fù)載電流進(jìn)行的雙脈沖測(cè)試的波形，圖6總結(jié)的分析顯示，添加嗡嗡聲電路可以使來自A供應(yīng)商的SiC MOSFET模塊的損耗減少50%。

使用Qorvo的基于JFET的器件與嗡嗡聲電路相結(jié)合，可以額外減少74%的關(guān)斷開關(guān)損耗。這使得可能將開關(guān)速率提高三倍，并減小外部被動(dòng)元件的尺寸。引用50 kW PSFB(相移全橋)的仿真，關(guān)斷開關(guān)損耗減少74%還有助于降低10%的結(jié)溫(圖7)。最終，更好的熱性能導(dǎo)致更小的散熱器和冷卻結(jié)構(gòu)，兩者合起來可減小轉(zhuǎn)換器體積。

盡管SiC在功率電子設(shè)計(jì)中相對(duì)于硅具有固有優(yōu)勢(shì)，但重新評(píng)估設(shè)備選擇和電路拓?fù)湟垣@得最佳性能。結(jié)合嗡嗡聲電路和Qorvo SiC串聯(lián)JFET配置的內(nèi)在低漏源電阻，快速開關(guān)能力可以大大提高ZVS軟開關(guān)應(yīng)用的效率和功率密度。